Tre-qubits datorplattform är gjord av elektronsnurr – Physics World

Tre-qubits datorplattform är gjord av elektronsnurr – Physics World

Tidsstämpel: 28 oktober 2023 10:38

Elektronspin qubits
Flera qubit-plattform: i detta diagram driver en STM-spets belagd med järn (överst) sensorns spin-qubit. Dessutom visas de avlägsna spinn-qubits, som är inriktade av magnetfälten hos närliggande järnatomer. (Med tillstånd: Institutet för grundvetenskap)

En kvantberäkningsplattform som kan arbeta samtidigt med flera spinnbaserade kvantbitar (qubits) har skapats av forskare i Sydkorea. Designad av Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andreas Heinrich och kollegor vid Institutet för grundläggande vetenskap i Seoul, är systemet sammansatt atom-för-atom med hjälp av ett scanning tunneling microscope (STM).

Även om framtidens kvantdatorer borde kunna överträffa konventionella datorer vid vissa uppgifter, är dagens begynnande kvantprocessorer fortfarande för små och bullriga för att göra praktiska beräkningar. Mycket mer måste göras för att skapa livskraftiga qubit-plattformar som kan behålla information tillräckligt länge för att kvantdatorer ska vara livskraftiga.

Qubits har redan utvecklats med hjälp av flera olika teknologier, inklusive superdatorkretsar och fångade joner. Vissa fysiker är också angelägna om att skapa qubits med hjälp av snurr av individuella elektroner – men sådana qubits är inte lika avancerade som vissa av deras motsvarigheter. Det betyder dock inte att spinnbaserade qubits är ur drift.

"Vid det här laget har alla befintliga plattformar för kvantberäkning stora nackdelar, så det är absolut nödvändigt att undersöka nya tillvägagångssätt", förklarar Heinrich.

Exakt montering

För att skapa en livskraftig spin-baserad processor måste qubits sättas ihop exakt, kopplas ihop tillförlitligt och drivas på ett kvantkoherent sätt, allt på samma plattform. Detta är något som hittills har undgått forskare, fram till nu – enligt det Seoul-baserade teamet.

Forskarna skapade sin multi-qubit-plattform med hjälp av en STM, som är ett kraftfullt verktyg för att avbilda och manipulera materia på atomär skala. När den ledande spetsen av en STM förs mycket nära en provyta, kan elektroner kvantmekaniskt tunnla mellan spetsen och provytan.

Eftersom sannolikheten för tunnling starkt beror på avståndet mellan spets och yta, kan en STM kartlägga provets nanoskala topografi genom att mäta strömmen av dessa tunnelelektroner. Individuella atomer på ytan kan också manipuleras och sättas ihop genom att trycka runt dem av de nanoskaliga krafterna som appliceras av spetsen.

Med hjälp av dessa funktioner har teamet "demonstrerat den första qubit-plattformen med precision i atomär skala", enligt Heinrich. "Det är baserat på elektronsnurr på ytor, som kan placeras på atomärt exakta avstånd från varandra."

Sensor qubit

Med hjälp av STM monterade forskarna sitt system på den orörda ytan av en dubbelskiktsfilm av magnesiumoxid. Systemet inkluderar en "sensor" qubit, som är en spin-1/2 titanatom som är placerad direkt under STM-spetsen. Spetsen är belagd med järnatomer, vilket gör att den kan användas för att applicera ett lokalt magnetfält (se figur).

På vardera sidan av spetsen finns ett par "avlägsna" qubits - även spin-1/2 titaniumatomer. Dessa är placerade på exakta avstånd från sensorns qubit, utanför det område där elektrontunnlar mellan atomer kan ske.

För att styra fjärr-qubits samtidigt med sensor-qubit skapade teamet en magnetfältsgradient genom att placera järnatomer i närheten. Järnatomerna beter sig som enatomsmagneter eftersom deras spinrelaxationstider vida överstiger operationstiderna för individuella qubits.

På detta sätt fungerar var och en av järnatomerna som ett substitut för STM-spetsen genom att tillhandahålla ett statiskt, lokalt magnetfält för att justera snurrarna för varje avlägsen qubit. Övergångar mellan qubitarnas spintillstånd görs genom att använda STM-spetsen för att applicera radiofrekvenspulser på systemet – en teknik som kallas elektronspinresonans.

Tilltalad och manipulerad

Teamet initierade sina qubits genom att kyla dem till 0.4 K, sedan applicera ett externt magnetfält för att föra dem till samma spinnläge och koppla ihop dem. Efteråt berodde tillståndet för sensorqubiten tillförlitligt på tillstånden för båda fjärrqubitarna, men kunde fortfarande adresseras och manipuleras individuellt av STM-spetsen.

Det övergripande resultatet var en helt ny qubit-plattform som gjorde att flera qubits kunde användas samtidigt. "Vår studie har uppnått enkel qubit, två qubit och tre qubit grindar med god kvantkoherens," säger Heinrich.

Han tillägger att "plattformen har sina för- och nackdelar. På proffsen är den atomärt exakt och kan därför lätt dupliceras. På nackdelarna är kvantkoherensen bra men måste förbättras ytterligare."

Om dessa utmaningar kan övervinnas ser Heinrich och kollegor en ljus framtid för sitt system.

"Vi tror att det här tillvägagångssättet relativt enkelt kan skalas till tiotals elektronkvbitar", säger Heinrich. "Dessa elektronsnurr kan också kontrolleras kopplas till kärnspinn, vilket kan möjliggöra effektiv kvantfelskorrigering och öka det tillgängliga Hilbert-utrymmet för kvantoperationer. Vi har precis skrapat på ytan!”

Forskningen beskrivs i Vetenskap.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden